ES2291239T3 - Circuito de proteccion de estado solido para aparatos electricos. - Google Patents
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Abstract
Aparato (10) para la protección de una carga eléctrica (14) contra una corriente excesiva, aparato el cual comprende: un conmutador semiconductor (18) para conectar la carga eléctrica a una fuente de corriente (12) y provisto de una entrada de control; un sensor de corriente (24) acoplado al conmutador semiconductor (18) y que produce una señal del sensor indicativa de la magnitud de la corriente que fluye a la carga eléctrica (14); y un circuito de control (26) conectado al sensor de corriente (24) y al conmutador semiconductor (18) y que responde a la señal del sensor produciendo una señal de control que se aplica a la entrada de control, caracterizado porque: el circuito de control dispone de un primer modo de funcionamiento cuando la magnitud de la corriente es inferior a un primer umbral en el que el conmutador semiconductor (18) se mantiene en un estado conductor continuo, un segundo modo de funcionamiento cuando la magnitud de la corriente es mayor que el primer umbral e inferior que un segundo umbral en el que el conmutador semiconductor (18) se hace no conductor después de un período de tiempo previamente definido, y un tercer modo de funcionamiento cuando la magnitud de la corriente es mayor que el segundo umbral en el que el conmutador semiconductor (18) es impulsado alternativamente para que sea conductor y no conductor para limitar la corriente a través de la carga (14) para que sea inferior al segundo umbral.
Description
Circuito de protección de estado sólido para
aparatos eléctricos.
La presente invención se refiere a mecanismos
que protegen los equipos de daños debidos a fallos eléctricos y a
cortocircuitos y particularmente a aquellos dispositivos los cuales
supervisan electrónicamente el comportamiento de los equipos
eléctricos y adoptan una acción protectora en el caso de un fallo,
un cortocircuito o una sobrecarga.
Es importante que los aparatos eléctricos estén
protegidos de daños cuando concurran fallos eléctricos. Por
ejemplo, los fusibles convencionales y los disruptores de circuitos
electromecánicos se utilizan comúnmente para desconectar equipos de
una fuente de suministro eléctrico al detectar una corriente
excesiva cuando ocurre un cortocircuito. Sin embargo, estos
dispositivos de protección convencionales son relativamente lentos
en la desconexión del flujo de corriente al aparato que está siendo
protegido. Como consecuencia, suficiente corriente eléctrica
excesiva puede fluir en el interior del equipo causando daños
durante un fallo.
Adicionalmente, diversos aparatos eléctricos
requieren diferentes características de respuesta para el
dispositivo de protección. Por ejemplo, los equipos electrónicos
pueden extraer un nivel de corriente sustancialmente constante de
desde el arranque inicial a través de una interrupción normal y ser
muy intolerantes a niveles de corriente excesivos incluso de corta
duración. El dispositivo de protección para un equipo de este tipo
tiene que responder muy rápidamente incluso en condiciones de
sobrecorriente relativamente pequeñas. Otros tipos de equipos
eléctricos extraen grandes niveles de corriente instantánea en
ciertos momentos, tal como por ejemplo en el arranque, en
comparación con el nivel de corriente extraído durante el resto de
su funcionamiento. Por lo tanto, un dispositivo de protección de un
circuito que responde demasiado rápidamente a una condición de alta
corriente puede desconectar la corriente inadvertidamente al equipo
durante acontecimientos que ocurren normalmente. Como consecuencia,
el dispositivo de protección para este tipo de equipo debe responder
de una manera que tolere breves corrientes elevadas. La manera en
la cual un dispositivo de protección responde a sobrecorrientes es
referida como la característica de respuesta de desconexión o curva
de desconexión y se tiene que acoplar al tipo particular de aparato
eléctrico que va a
ser protegido.
ser protegido.
Esto normalmente significa que un fabricante de
dispositivos de protección debe diseñar, fabricar y almacenar en
inventario, una gran variedad de dispositivos de protección que
tengan diferentes características de respuesta de desconexión en
términos de nivel de la corriente y duración. Por lo tanto, es
deseable proporcionar una configuración básica de un dispositivo de
protección la cual pueda ser adaptada fácilmente con diferentes
características de respuesta de desconexión.
En el documento
US-A-5 216 352 se expone un
procedimiento y un aparato para la protección de una carga eléctrica
contra una corriente excesiva como se define en las partes
precaracterizantes de las reivindicaciones 1 y 13. En este aparato,
el circuito de control, en respuesta a señales desde el sensor de
corriente, genera periódicamente una señal de interrupción para
interrumpir la trayectoria de corriente entre la fuente y la carga
durante intervalos prescritos de tal forma que la corriente
recibida por la carga está controlada entre niveles de corriente
máximo y mínimo prescritos.
La invención es un aparato para la protección de
una carga eléctrica contra una corriente excesiva como se define en
las reivindicaciones 1 y un procedimiento para la protección de una
carga eléctrica contra una magnitud excesiva de corriente como se
define en la reivindicación 13.
El aparato para la protección de una carga
eléctrica contra una corriente excesiva utiliza un conmutador
semiconductor para conectar la carga eléctrica a una fuente de
corriente. Un sensor de corriente está acoplado en serie con el
conmutador semiconductor y producir una señal del sensor que indica
la magnitud de la corriente que fluye a la carga eléctrica.
Un circuito de control está conectado al sensor
de corriente y al conmutador semiconductor. El circuito de control
responde a la señal del sensor produciendo una señal de control la
cual se aplica a una entrada de control del conmutador
semiconductor. En un primer modo de funcionamiento cuando la
magnitud de la corriente es inferior a un primer umbral, el
circuito de control mantiene el conmutador semiconductor en un
estado conductor continuo. Cuando la magnitud de la corriente es
mayor que el primer umbral e inferior a un segundo umbral, el
circuito de control en un segundo modo de funcionamiento hace que el
conmutador semiconductor sea no conductor después de un período de
tiempo previamente definido. En un tercer modo de funcionamiento,
cuando la magnitud de la corriente es mayor que el segundo umbral,
el conmutador semiconductor es impulsado alternativamente para que
sea conductor y no conductor por el circuito de control para aplicar
una corriente promedio a través de la carga que esté dentro de un
nivel aceptable en el cual no ocurran daños.
La figura 1 es un diagrama de bloques de un
protector de circuitos de estado sólido según la presente
invención;
la figura 2 ilustra los detalles de un circuito
de desconexión instantánea en el protector; y
la figura 3 es un gráfico de una característica
de respuesta de desconexión ejemplar del protector de circuitos de
estado sólido.
Con referencia inicial a la figura 1, un
protector de circuitos de estado sólido 10 controla la aplicación
de una corriente continua a una carga eléctrica 14, representada
como un condensador en paralelo con una resistencia. El protector
de circuitos de estado sólido 10 tiene un terminal de tensión
positivo 12 el cual está conectado a la fuente eléctrica para
proporcionar energía a una carga 14. La corriente fluye desde el
terminal de tensión positiva a la carga a través de un fusible de
seguridad 16, un conmutador semiconductor 18 y un inductor 20 hasta
un terminal de carga 22. La carga está conectada entre el terminal
de carga 22 y el lado negativo de suministro de tensión,
representado como tierra.
El fusible de seguridad 16 es un dispositivo
convencional con un conductor el cual se calienta y por último se
rompe cuando fluye una corriente excesiva durante un período de
tiempo determinado. Pueden utilizarse dispositivos normales, tales
como los fusibles encapsulados en un tubo de vidrio o una traza
apropiada sobre una tarjeta de circuito impreso, como el fusible de
seguridad 16. El fusible de seguridad 16 proporciona una protección
redundante en el caso en el que el conmutador semiconductor 18 falle
en el estado conductor o al fallar los circuitos electrónicos que
controlan el conmutador semiconductor. Como se comprenderá, el
tiempo de respuesta de desconexión del fusible de seguridad es
considerablemente más lento que la característica de respuesta de
desconexión de la protección del circuito electrónico.
El conmutador semiconductor 18 debe ser capaz de
interrumpir la corriente de carga y manejar corrientes transitorias,
sobrecorrientes y de entrada a una gama de tensión funcional
especifica como lo indica la carga particular 14 que se tiene que
controlar. Un transistor de efecto de campo de n canales (FET -
Field-Effect Transistor), tal como por ejemplo el
modelo IRF 1404 de International Rectifier de El Segundo, CA 90245
USA, puede ser utilizado como el conmutador semiconductor 18. La
resistencia del canal en el estado conductor tiene que ser
relativamente baja para minimizar la caída de tensión a través del
FET y la disipación de calor. Aunque la forma de realización
preferida utiliza el conmutador semiconductor 18 entre el terminal
de tensión positiva 12 y la carga 14, alternativamente el
conmutador se puede colocar en el lado de tierra de la carga. Sin
embargo, esta aproximación alternativa tiene la desventaja de que
un fallo desde la carga a tierra quedará desprotegido.
Un sensor de tensión 28 produce una señal
analógica la cual indica el nivel de la tensión en el terminal de
la carga. La señal analógica se aplica a una entrada analógica de un
microcontrol 26. Como se describirá, el microcontrol 26 responde a
una indicación desde el sensor 28 de que la tensión a través de la
carga 14 es demasiado baja desconectando el conmutador
semiconductor 18.
Está previsto un sensor de corriente 24 para
detectar el nivel de corriente que fluye entre el terminal de
tensión positiva 12 y la carga 14. Este sensor debe tener una gama
dinámica que sea suficientemente grande como para cubrir los
extremos de la corriente para la característica de respuesta de
desconexión deseada del dispositivo de protección y tener una
respuesta transitoria que sea suficientemente rápida como para
implantar la característica de respuesta de desconexión deseada. El
sensor de corriente 24 puede ser un sensor de efecto Hall que
produzca una tensión de salida indicativa de la magnitud de la
corriente de corriente continua y una tensión de salida que pueda
ser aplicada a través de la línea 31 directamente a una entrada
analógica de un microcontrol 26. Otros tipos de sensores de
corriente convencionales, tales como una resistencia de derivación,
pueden ser utilizados para proporcionar una indicación de la
magnitud de la corriente al microcontrol 26.
El microcontrol 26 se basa en un microprocesador
e incluye un convertidor interno analógico a digital con una
entrada multiplexada para señales desde los sensores de corriente y
de tensión. Circuitos digitales de entrada/salida del microcontrol
manejan señales para otros componentes del protector de circuitos de
estado sólido 10. Por ejemplo, un panel de control del usuario 25
tiene un teclado 27 y emisores de luz 29, tales como diodos de
emisión de luz (LED - Light-emitting diode). El
teclado 27 tiene conmutadores de contacto momentáneo separados que
suministran señales de entrada al microcontrol 26 para conectar y
desconectar manualmente el protector de circuitos de estado sólido
10, así como restablecer la condición de desconexión. Los emisores
de luz 29 son practicados a por señales desde el microcontrol para
indicar los estados funcionales del protector del circuito. Uno de
estos emisores de luz 29 indica cuándo se desconecta el protector de
circuitos 10. El microcontrol 26 tiene también una memoria interna
no volátil la cual almacena un programa de software que define la
función de protección y el cual almacena datos, tales como la
característica de respuesta de desconexión, para ser utilizados por
el programa de software. El microcontrol 26 y el panel de control 25
ocasionalmente pueden controlar polos adicionales de un protector
de circuitos como se indica mediante un segundo polo 11 dibujado en
líneas de trazos.
\newpage
El microcontrol 26 acciona el conmutador
semiconductor 18 a través de un circuito de desconexión 26 que
genera una tensión de accionamiento la cual es adecuada para
controlar el FET 19 en la forma de realización preferida del
conmutador semiconductor 18. Puesto que la tensión que acciona la
puerta de un FET de n canales 19 tiene que ser aproximadamente diez
voltios mayor que la tensión en el electrodo de la fuente del FET,
el circuito de desconexión 36 incluye a una bomba de carta o un
circuito similar para generar una tensión mayor que aquella que se
encuentra en el terminal de entrada positivo 12.
La figura 2 ilustra los detalles del circuito de
desconexión 36 en el que la señal de salida I_{DETECTADA} en la
línea 31 desde el sensor de corriente 24 se aplica a un primer
comparador de la tensión 40. El nivel de la corriente detectada
I_{DETECTADA} se compara con un segundo umbral I_{TH2} el cual
es producido en la línea de salida analógica 37 del microcontrol
26. Un valor fijo para el segundo umbral I_{TH2} se programa
dentro del microcontrol 26 dependiendo de la tolerancia a la
sobrecorriente de la carga especifica 14. El resultado de esa
comparación en la salida del primer comparador 40 se aplica a la
entrada de RESTABLECER de un biestable 42. La entrada de
restablecer también está conectada a una tensión de suministro
positiva V^{+} mediante una resistencia de activación 44.
La entrada de AJUSTE del biestable 42 se conecta
a la salida de una puerta NO-Y de entrada dual 46,
que tiene ambas entradas ligadas juntas para funcionar como un
inversor. Las entradas de la primera puerta NO-Y 46
están conectadas a una línea de salida digital 33 desde el
microcontrol 26 la cual transporta una señal impulsada a una
frecuencia fijada en más de 15 kilohercios, específicamente en la
gama de 20-30 kilohercios y preferiblemente a 25
kilohercios. La señal impulsada tiene un sitio de trabajo fijo
formando de ese modo un tren de impulsos de amplitud constante.
Como se describirá más adelante en este documento, el tren de
impulsos ajusta periódicamente la salida del biestable la cual está
ligada a una entrada de una segunda puerta NO-Y 48
que tiene tres entradas. Otra entrada de la segunda puerta
NO-Y 48 recibe una señal de CONEXIÓN en otra línea
de salida digital 33 desde el microcontrol 26. El hecho de que la
señal de CONEXIÓN sea activa o inactiva está determinado por el
funcionamiento manual de los conmutadores en el teclado 27 del panel
de control 25.
La tercera entrada de la segunda puerta
NO-Y 48 recibe una señal de salida desde un
mecanismo de desconexión instantánea formado por un segundo
comparador de la tensión 50 y un segundo biestable 51.
Específicamente, el segundo comparador 50
compara la señal de salida del sensor de corriente I_{DETECTADA}
con un tercer umbral I_{TH3}. El tercer umbral de corriente
I_{TH3} es generado en otra línea de salida analógica 38 por el
microcontrol 26 y está definido por un valor fijo programado dentro
del circuito de protección de estado sólido 10. El tercer umbral de
corriente I_{TH3} es mayor que el segundo umbral de corriente
I_{TH2}. La relación precisa entre esos dos umbrales de corriente
se hará evidente a partir de la descripción que sigue a
continuación del funcionamiento del circuito de protección contra la
corriente de estado sólido. Los umbrales de corriente segundo y
tercero I_{TH2} y I_{TH3}, en lugar de ser programables, se
pueden ajustar mediante divisiones de la tensión convencionales en
las entradas de los comparadores respectivos 40 y 50. La salida del
segundo comparador 50 está bloqueada por el segundo biestable 51 con
una salida conectada a otra entrada de la segunda puerta
NO-Y 48. La entrada de ajuste del segundo comparador
50 está conectada a la línea de salida de RESTABLECER 35 del
microcontrol 26.
Los componentes del circuito de desconexión 36
descrito anteriormente en este documento, proporcionan señales de
entrada a la segunda puerta NO-Y 48. La salida de
esa puerta es alimentada a través de una tercera puerta
NO-Y 52 la cual está conectada como un inversor. La
señal que emana de la tercera puerta NO-Y 52 está
acoplada por una resistencia 56 a un circuito de aislamiento 54,
tal como por ejemplo un optoaislante normal. El circuito de
aislamiento 54 produce una salida en la línea 58 que se aplica a una
entrada de un circuito excitador de puerta FET convencional 60. Una
bomba de carga 62 proporciona un nivel de tensión que el excitador
de puerta FET 60 utiliza para desviar la puerta del FET 19 a través
de la línea 39.
El funcionamiento del protector de circuitos de
estado sólido 10, en la figura 1, comienza con el operario
presionando un conmutador apropiado sobre el teclado 27. El
microcontrol 26 responde a esta activación del conmutador aplicando
un alto nivel, o señal de CONEXIÓN activa, a través de la línea 34 a
la segunda puerta NO-Y 48. En este momento, el
microcontrol 26 empieza también a producir un tren de impulsos sobre
la línea de salida digital 33 conectada a la primera puerta
NO-Y 46. Un nivel lógico alto de ese tren de
impulsos causa que la salida del primer biestable 42 se haga alta,
aplicando otro nivel alto a la otra entrada de la segunda puerta
NO-Y 48.
Durante el funcionamiento normal de la carga 14,
la señal de salida I_{DETECTADA} desde el sensor de corriente 24
es inferior al tercer umbral I_{TH3}. Como consecuencia, el
segundo comparador de tensión 50 produce un nivel lógico alto en la
tercera entrada de la segunda puerta NO-Y 48. De ese
modo la segunda puerta NO-Y 48 produce una señal de
salida de bajo nivel que, a la inversión por la tercera puerta
NO-Y 52 y la conducción a través del aislante 54,
activa el excitador de puerta FET 60. Esto causa que el excitador de
puerta 60 desvíe la puerta del FET 19 a un estado conductor,
aplicando de ese modo corriente desde el terminal de tensión
positiva 12 a través del inductor 20 a la carga 14.
El nivel de corriente a través del conmutador
semiconductor 18 crece rápidamente y excede pronto el segundo
umbral I_{TH2}. En ese momento, la salida del primer comparador 40
se hace baja reajustando el biestable 42 y causando que la segunda
puerta NO-Y 48 cambie los estados de salida. Esto da
como resultado que el excitador de puerta FET 60 haga no conductor
al conmutador semiconductor 18. La energía almacenada en el inductor
20 produce una corriente de decaimiento que fluye a través de la
carga 14 y el diodo de retroceso 21.
Cuando ocurre el siguiente impulso positivo en
el tren de impulsos sobre la línea 33 hacia la primera puerta
NO-Y 46, el biestable 42 se AJUSTARÁ para producir
otra salida lógica de nivel alto la cual conecta otra vez el
excitador de puerta FET 60 y el conmutador semiconductor 18. Este
ciclo de conexión-desconexión del conmutador
semiconductor continúa troceando la corriente de al régimen de
velocidad de la señal sobre la línea 33 hasta que el condensador en
la carga 14 se carga adecuadamente, momento en el cual la corriente
de la carga se hace sustancialmente constante a un nivel inferior
al segundo umbral I_{TH2}. Por lo tanto, la corriente de la carga
durante el arranque está limitada para que sea inferior al segundo
umbral I_{TH2} mientras todavía se aplica corriente para iniciar
la operación de carga. Una vez que las excursiones de la corriente a
través del conmutador semiconductor 18 caen por debajo de este
umbral, el biestable 42 deja de ser restablecido y el excitador de
puerta FET 60 mantiene el conmutador semiconductor 18 en un estado
conductor. Ese estado conductor continúa durante todo el tiempo en
el que la carga 14 funciona normalmente.
Si existe un fallo con la carga durante el
arranque, la corriente de la carga no cae por debajo del segundo
umbral I_{TH2}. El troceado de la corriente puede continuar
indefinidamente en este caso. Para evitar eso, la duración del
troceado de la corriente se limita contando los impulsos de
corriente aplicados a la carga y terminando el troceado cuando
ocurre un número determinado de impulsos que normalmente es
suficiente para cargar un condensador típico de una carga.
Específicamente, el microcontrol 26 supervisa la línea de entrada
31 desde el sensor de corriente 24 el cual indica condiciones
alternativas de corriente alta y de corriente cero y cuenta el
número de impulsos de corriente alta.
Esa cuenta se compara con un número de
referencia y el modo de troceado se termina cuando se llega a ese
número de referencia de impulsos de corriente. En ese momento, el
microcontrol 26 envía una señal lógica de nivel bajo sobre la línea
34 al circuito de desconexión 36, el cual hace que el conmutador
semiconductor sea no conductor hasta que una persona presione el
conmutador RESTABLECER sobre el panel de control 25 y restablece el
microcontrol.
Alternativamente, el sensor de tensión 28 puede
ser utilizado como salvaguarda contra el funcionamiento en el modo
de troceado de la corriente durante un período de tiempo demasiado
largo. Durante una condición de cortocircuito cuando la carga 14
está extrayendo corriente excesiva, la tensión a través de la carga
será significativamente inferior que la tensión durante el
funcionamiento normal. La tensión a través de la carga 14 es
detectada por el sensor de tensión 28 el cual aplica una indicación
analógica del nivel de la tensión al microcontrolador 26. Si esa
tensión de la carga detectada permanece por debajo de un umbral
determinado durante un tiempo superior a un intervalo de tiempo
previamente definido durante el modo de troceado de la corriente,
el microcontrol 26 desconecta el circuito de desconexión 36
aplicando un nivel lógico bajo, (una señal inactiva de CONEXIÓN) a
la línea de CONEXIÓN/DESCONEXIÓN 34.
El funcionamiento del circuito de protección de
estado sólido 10 durante una condición de sobrecorriente después de
un arranque normal se podrá comprender mejor con respecto a una
característica de respuesta de desconexión ejemplar, tal como la
que se expone en la figura 3. Una corriente de carga la cual está
por debajo de un primer umbral I_{TH1} puede ser tolerada
indefinidamente por la carga 14 y por lo tanto será conducida
continuamente por el conmutador semiconductor 18. El primer umbral
I_{TH1} se ajusta entre el 100% y el 125% de la capacidad normal
de corriente para la carga 14 que está siendo protegida. Las
corrientes de la carga entre niveles I_{TH1} e I2 pueden ser
toleradas por la carga durante un cierto tiempo el cual decrece
linealmente con la magnitud de la corriente. En otras palabras,
pequeñas desviaciones por encima del primer umbral I_{TH1} pueden
ser toleradas durante un período de tiempo más largo que las
sobrecorrientes que se aproximen al nivel I2. Esto produce una
característica de respuesta de desconexión lineal en la parte 70 de
la curva de respuesta. Esta parte de la característica de respuesta
de desconexión está programada dentro del microcontrolador 26 y
almacenada en su memoria tanto como una ecuación lineal como en
forma de una tabla de datos. Esa tabla de datos tiene pares de
valores, uno de los valores siendo una magnitud de la corriente y el
otro valor definiendo el intervalo de tiempo durante el cual puede
ser tolerada esa magnitud de la corriente antes de que el protector
de circuitos de estado sólido 10 deba desconectar.
La corriente entre el nivel I2 y el tercer
umbral I_{TH3} puede ser tolerada por la carga durante un período
designado T1. La corriente por encima de ese nivel más alto
I_{TH3} no puede ser tolerada por la carga 14, ni incluso
momentáneamente, y por lo tanto el dispositivo de protección contra
la corriente debe desconectar inmediatamente. Deben indicarse que
la corriente de la carga dentro de la zona del rayado cruzado a 72
entre el segundo umbral I_{TH2} y el tercer umbral I_{TH3}
aunque es tolerado por la carga 14, puede dañar al FET 19. Por lo
tanto, cuando se determina que ocurra el funcionamiento dentro de
esta zona, el protector de circuitos de estado sólido 10 entra en
un modo de funcionamiento de troceado de la corriente. En este modo
el conmutador semiconductor es impulsado a conexión y desconexión a
un régimen de velocidad que produce una corriente promedio que es
inferior al segundo umbral I_{TH2}. Por lo tanto la carga
permanece activada de modo que el condensador de la carga se
mantiene cargado, pero la corriente aplicada a la carga está
limitada a ese nivel del segundo umbral.
Cuando la corriente detectada I_{DETECTADA}
está entre el primer umbral I_{TH1} y un segundo umbral I_{TH2},
el circuito de desconexión 36 inicialmente mantiene el conmutador
semiconductor 18 en un estado conductor porque esa corriente está
por debajo de los dos umbrales del comparador I_{TH2} e I_{TH3}.
Sin embargo, el microcontrol 26 recibe la señal de salida
I_{DETECTADA} del sensor de corriente 24 sobre la línea 31 y
utiliza la característica de respuesta de desconexión programada
para la sección 70 para determinar si desconecta el conmutador
semiconductor 18. Específicamente, el microcontrol 26 determina si
la magnitud de la sobrecorriente ha ocurrido durante el período de
tiempo definido por la característica de respuesta de desconexión.
Una vez ha ocurrido eso, el microcontrol 26 desconecta el circuito
de desconexión 36 aplicando un nivel lógico bajo, una señal de
CONEXIÓN inactiva, a la línea digital 34. Este nivel lógico bajo
constante introduce el nivel de salida desde la segunda puerta
NO-Y 48 el cual desconecta el excitador de puerta
FET 60 y por lo tanto el conmutador semiconductor 18. El
microcontrol 26 también ilumina el emisor de luz 29 en el panel de
control 25 el cual indica la condición de desconexión. La señal de
DESCONEXIÓN continúa siendo aplicada por el microcontrol 26 al
circuito de desconexión 36 hasta que se presiona un conmutador de
restablecimiento manual sobre panel de control 25.
Cuando la señal de corriente de la carga
detectada I_{DETECTADA} está entre los umbrales de corriente
I_{TH2} e I_{TH3}, el microcontrol 26 no utiliza los datos de
la característica de respuesta de desconexión para determinar si
tiene que desconectar el circuito de desconexión 36. En cambio, el
circuito de protección de estado sólido 10 introduce un modo de
troceado de la corriente en el cual el FET 10 es impulsado a la
conexión y la desconexión al régimen de velocidad de la señal
impulsada sobre la línea 33.
Específicamente con referencia a la figura 2,
cuando el sensor de corriente 24 produce una señal de salida
I_{DETECTADA} en la línea 31 la cual es mayor que el segundo
umbral I_{TH2} en la línea 37, la salida del primer comparador 40
se hace baja. Esa salida baja restablece el biestable 42, aplicando
de ese modo un nivel lógico bajo a una entrada de la segunda puerta
NO-Y 48. Esto produce un nivel lógico alto en la
salida de la segunda puerta NO-Y 52 la cual es
invertida por la tercera puerta NO-Y 52 aplicando de
ese modo un nivel lógico bajo al opto-aislante 54.
Esto a su vez desactiva el excitador de puerta FET 60 el cual hace
no conductor al conmutador semiconductor 18. En ese momento la
corriente desde el inductor 20 fluye a través de la carga 14 y el
diodo de retroceso 21.
El conmutador semiconductor 18 permanece
desconectado hasta que el siguiente impulso lógico de nivel alto en
el tren de impulsos desde el microcontrol 26 es aplicado al circuito
de desconexión 36 sobre la línea digital 33. Ese impulso a la
inversión por parte de la primera puerta NO-Y 46
establece el biestable 42 el cual produce un nivel de salida alto
que es aplicado a la segunda puerta NO-Y 48. Este
nivel lógico alto activa el excitador de puerta FET 60, haciendo
otra vez conductor el conmutador semiconductor 18.
Cuando el FET 19 se conecta otra vez, el
inductor 20 limita el régimen de la velocidad a la cual se eleva la
corriente de forma que el nivel de corriente no exceda
inmediatamente del segundo umbral I_{TH2}. Por lo tanto, una
pequeña cantidad de corriente será aplicada a la carga 14 y cargará
su condensador. Sin embargo, la corriente a través del conmutador
semiconductor 18 eventualmente se elevará por encima del segundo
umbral de corriente I_{TH2} lo cual será detectado por el primer
comparador 40. Cuando ocurre eso el primer comparador 40 cambia los
estados de salida y restablece el biestable 42, el cual a su vez
aplica una señal a la segunda puerta NO-Y 48 que
por último resulta en que el excitador de puerta FET 60 desconecta
el conmutador semiconductor 18. Estos ciclos de desconexión y
conexión del conmutador semiconductor 18 continúan lo cual resulta
en una corriente de carga promedio que está por debajo del primer
umbral I_{TH1}.
Aunque el conmutador semiconductor 18 no está
expuesto a un grado tan alto de tensión térmica como con la
limitación de corriente lineal, todavía puede ocurrir el dañado del
FET 19 o de la carga si el modo de troceado de la corriente
continúa durante un período de tiempo demasiado largo. Como se ha
expuesto anteriormente en este documento con respecto a la
operación de arranque del protector de circuitos estado sólido 10,
la duración del troceado de la corriente puede ser limitada
mediante el microcontrol 26 contando el número de impulsos de
corriente aplicados a la carga y enviando una señal lógica de
DESCONEXIÓN de nivel bajo sobre la línea 34 al circuito de
desconexión 36 cuando ha ocurrido un número determinado de impulsos.
Alternativamente, el sensor de tensión 28 puede ser utilizado para
detectar un cortocircuito e informar al microcontrol 26 para que
desconecte el circuito de desconexión 36.
El troceado de la corriente debe asegurar que la
corriente de la carga nunca exceda del nivel del tercer umbral
I_{TH3}. Sin embargo, en el caso de que ocurra un mal
funcionamiento, el segundo comparador 50 detecta una corriente de
carga por encima de ese tercer nivel umbral I_{TH3} y produce una
salida que hace continuamente no conductor al conmutador
semiconductor 18. Específicamente, la salida del segundo comparador
50 se hace baja lo cual restablece el segundo biestable 51
aplicando de ese modo un nivel lógico bajo a la segunda puerta
NO-Y 48. Esto resulta en la desconexión del FET.
Claims (19)
-
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1. Aparato (10) para la protección de una carga eléctrica (14) contra una corriente excesiva, aparato el cual comprende:un conmutador semiconductor (18) para conectar la carga eléctrica a una fuente de corriente (12) y provisto de una entrada de control;un sensor de corriente (24) acoplado al conmutador semiconductor (18) y que produce una señal del sensor indicativa de la magnitud de la corriente que fluye a la carga eléctrica (14); yun circuito de control (26) conectado al sensor de corriente (24) y al conmutador semiconductor (18) y que responde a la señal del sensor produciendo una señal de control que se aplica a la entrada de control, caracterizado porque:el circuito de control dispone de un primer modo de funcionamiento cuando la magnitud de la corriente es inferior a un primer umbral en el que el conmutador semiconductor (18) se mantiene en un estado conductor continuo, un segundo modo de funcionamiento cuando la magnitud de la corriente es mayor que el primer umbral e inferior que un segundo umbral en el que el conmutador semiconductor (18) se hace no conductor después de un período de tiempo previamente definido, y un tercer modo de funcionamiento cuando la magnitud de la corriente es mayor que el segundo umbral en el que el conmutador semiconductor (18) es impulsado alternativamente para que sea conductor y no conductor para limitar la corriente a través de la carga (14) para que sea inferior al segundo umbral. - 2. Aparato (10) según la reivindicación 1 en el que el circuito de control (26) se mantiene en el segundo modo de funcionamiento hasta que es específicamente restablecido.
- 3. Aparato (10) según la reivindicación 1 en el que el conmutador semiconductor (18) es impulsado alternativamente para que sea conductor y no conductor durante ciclos que tienen periodos idénticos.
- 4. Aparato (10) según la reivindicación 1 en el que el conmutador semiconductor (18) es impulsado alternativamente para que sea conductor y no conductor a una frecuencia de por lo menos 15 kilohercios.
- 5. Aparato (10) según la reivindicación 1 en el que el conmutador semiconductor (18) es impulsado alternativamente para que sea conductor y no conductor a una frecuencia entre 20 kilohercios y 30 kilohercios.
- 6. Aparato (10) según la reivindicación 1 en el que el circuito de control (26) tiene un cuarto modo de funcionamiento cuando la magnitud de la corriente es superior a un tercer umbral que es mayor que el segundo umbral, en el que el conmutador semiconductor (18) se hace no conductor mediante la señal de control hasta que el aparato (10) es específicamente restablecido.
- 7. Aparato (10) según la reivindicación 1 en el que el circuito de control (26) comprende:un control programable (26) el cual produce una señal impulsada que tiene un ciclo de trabajo constante y una señal de CONEXIÓN;un excitador conmutador (60) que produce la señal de control en respuesta a una señal de activación del conmutador; yun circuito de desconexión (36) conectado al control programable (26), al excitador conmutador (60) y al sensor de corriente (24), dicho circuito de desconexión incluyendo un circuito lógico (40, 42, 48, 50, 51, 52) que produce la señal de activación del conmutador cuando la señal del sensor es inferior al segundo umbral y la señal de CONEXIÓN está activa y que produce una señal de activación del conmutador impulsada en respuesta a la señal impulsada cuando la señal del sensor es mayor que el segundo umbral y la señal de CONEXIÓN está activa.
- 8. Aparato (10) según la reivindicación 7 en el que el control programable (26) produce una señal de CONEXIÓN inactiva en respuesta a la magnitud de la corriente que es mayor que el primer umbral durante un periodo de tiempo previamente definido.
- 9. Aparato (10) según la reivindicación 8 en el que el control programable (26) almacena datos que especifican el período de tiempo previamente definido como una función de la magnitud de la corriente.
- 10. Aparato (10) según la reivindicación 7 en el que el circuito de desconexión (36) comprende:un primer comparador (37) que compara la señal del sensor con el segundo umbral y en respuesta a produce una primera señal de control en una salida;un biestable (42) que tiene una entrada (R) conectada a la salida del primer comparador (37) y otra entrada (S) conectada al control programable (26) para recibir la señal impulsada y que tiene una salida; y
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una puerta lógica (48) que tiene una entrada conectada a la salida del biestable (42) y otra entrada conectada al control programable (26) para recibir una señal de CONEXIÓN y que tiene una salida acoplada al excitador conmutador (60). - 11. Aparato (10) según la reivindicación 10 en el que el circuito de desconexión (36) adicionalmente comprende un segundo comparador (50) que compara la señal del sensor con un tercer umbral y tiene una salida acoplada a la puerta lógica (48) para hacer no conductor el conmutador semiconductor (18) cuando la señal del sensor excede del tercer umbral.
- 12. Aparato (10) según la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo un fusible (16) en serie con el conmutador semiconductor (18).
- 13. Procedimiento para proteger una carga eléctrica (14) de una magnitud excesiva de corriente, procedimiento el cual comprende:la colocación de un conmutador semiconductor (18) en un estado conductor para aplicar corriente desde una fuente (12) a una carga eléctrica (14);la detección de la magnitud de la corriente;la comparación de la magnitud de la corriente con un primer umbral;la comparación de la magnitud de la corriente con un segundo umbral que es mayor que el primer umbral;el procedimiento estando caracterizado por:determinar si la magnitud de la corriente excede del primer umbral durante un período de tiempo previamente definido y, cuando eso ocurre, emitir una señal de finalización;en respuesta a la señal de finalización, la colocación del conmutador semiconductor (18) en un estado no conductor para finalizar la aplicación de la corriente a la carga eléctrica (14); ycuando la magnitud de la corriente excede del segundo umbral, colocar alternativamente el conmutador semiconductor (18) en estados conductor y no conductor para aplicar impulsos de corriente a la carga eléctrica (14) y limitar la corriente promedio a través de la carga (14) para que sea inferior al segundo umbral.
- 14. Procedimiento según la reivindicación 13 en el que la colocación alternativamente del conmutador semiconductor (18) en estados conductor y no conductor aplica impulsos de corriente en ciclos que tienen periodos idénticos.
- 15. Procedimiento según la reivindicación 13 adicionalmente comprendiendo la determinación de durante cuánto tiempo el conmutador semiconductor (18) es colocado alternativamente en los estados conductor y no conductor y la colocación del conmutador semiconductor (18) en un estado no conductor continuo después de un período de tiempo previamente definido.
- 16. Procedimiento según la reivindicación 13 adicionalmente comprendiendo:la detección de la magnitud de la tensión a través de la carga eléctrica (14);la comparación de la magnitud de la tensión con un umbral determinado; yla colocación del conmutador semiconductor (18) en un estado no conductor continuo, cuando la magnitud de la tensión es inferior al umbral determinado durante un periodo el tiempo previamente determinado.
- 17. Procedimiento según la reivindicación 13 adicionalmente comprendiendo:la comparación de la magnitud de la corriente con un tercer umbral que es mayor que el segundo umbral; yla colocación del conmutador semiconductor (18) en un estado no conductor continuo, cuando la magnitud de la corriente excede del tercer umbral.
- 18. Procedimiento según la reivindicación 13 en el que la colocación alternativamente del conmutador semiconductor (18) en estados conductor y no conductor aplica impulsos de corriente a la carga eléctrica (14) a una frecuencia de por lo menos 15 kilohercios.
- 19. Procedimiento según la reivindicación 13 en el que la colocación alternativamente del conmutador semiconductor (18) en estados conductor y no conductor aplica impulsos de corriente a la carga eléctrica (14) a una frecuencia entre 20 kilohercios y 30 kilohercios.
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